[发明专利]非接触力测量方法和装置

说明书

本发明涉及一种力测量方法和装置，特别是一种采用非接触位移传感器，通过测量承受被测力的机架立架上两点之间的相对位移，采用计算机系统进行数据采集、处理，并能克服温度漂移等问题的力测量方法和装置。

已有技术适用于力测量的方法和装置是用置于力传递线上的电阻应变式、压磁式等的力传感器进行测量，其缺点是：全部被测力都作用在力传感器上（其量值常达几百吨，甚至几千吨，有时还有扭力作用）;工作环境恶劣（例如：轧机常工作在高温，水湿，有蒸汽、油污、氧化皮和灰尘的环境中）。通常，测量装置尺寸庞大，结构复杂、成本高，使用寿命短，而且安装和维修影响生产，测量装置需根据各工作机的具体情况专门设计制造。

已有技术中国专利CN86105879为克服上述缺点，提出过一种附着式测力传感器结构，其主要特征是：由链式连接的三段组合式传感器本体，是进行机械放大的电阻应变式传感器;采用双球铰撑机构将传感器本体撑挂在机架立柱的中性面上;利用液体保护介质的均温作用，使其在温度变化大的环境下工作;采用一种微调装置调整预应力并进行模拟标定。上述附着式测力传感器仍存在若干缺点和问题，尤其是：该种传感器仍然受力，虽然只是承受被测力的很小部分，但是弹性元件和电阻应变计的应力和应变水平与传统力传感器并无不同，从该意义上来说，传感器的受力状况并未得到根本的改善;而且，传感器的结构复杂，机械元件多，力的传递面多达十七对，这将影响其工作的稳定性和可靠性;其次，由于传感器本体撑挂在机架的中性面上，而机架的中性面很难准确确定，尤其是许多机架的断面形状比较复杂多变，所以由于中性面难以准确确定，这将影响测量的准确度，甚至有可能使这种传感器不能应用;利用液体保护介质的均温作用，使传感器在温度变化大的恶劣环境下能正常工作，然而，这种均温作用并不能排除温度变化对测量的干扰，特别是在热加工时，机架的热应变会使传感器产生的应变达到被测力使该传感器产生应变的同一数量级;此外，还存在附着式力传感器的标定问题。对于上述这些已有技术中存在的问题尚待进一步解决。

本发明的目的在于提供一种传感器完全不受力、非接触式的、稳定可靠和准确度高的力测量方法和装置，这种方法和装置能适用于机架立柱形状复杂多变的情况下，不受温度变化和其它干扰的影响，还具有结构简单、重量尺寸小、造价低等优点。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的：

承受被测力的机架立柱上在轴线方向相距L的两点之间的相对位移量为△L：

△L＝ (σ)/(E) L 〔1〕

式中：σ：机架立柱测量部位的等效应力，

E：机架立柱材料的弹性模量。

对于闭式机架（见附图1），机架立柱1上测量部位的等效应力σ为：

σ= (F)/(2A) ± (MoZ)/(J₂) 〔2〕

式中：F：机架所受的工作力，即被测力;

A：机架立柱1测量部位的等效截面积;

E：检测装置3的安装位置距机架立柱等效中性面2的距离;

J₂：机架立柱1断面对等效中性面2的等效惯性矩;

Mo：机架的静不定力矩，

MO : = (Fl₁)/8 · 1/()

1+ (l₂J₁)/(l₁J₂) ［3］

式中：l₁：机架横梁的长度;

l₂：机架立柱1的长度;

J₁：机架横梁断面对其中性面的等效惯性矩。

将〔3〕代入〔2〕得到：